晶閘管的工作原理與應用

1 晶閘管(SCR)

晶體閘流管簡稱晶閘管,也稱為可控硅整流元件(SCR),是由三個PN結構成的一種大功率半導體器件。在性能上,晶閘管不僅具有單向導電性,而且還具有比硅整流元件更為可貴的可控性,它只有導通和關斷兩種狀態(tài)。

晶閘管的優(yōu)點很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍數(shù)高達幾十萬倍;反應極快,在微秒級內(nèi)開通、關斷;無觸點運行,無火花、無噪聲;效率高,成本低等。因此,特別是在大功率UPS供電系統(tǒng)中,晶閘管在整流電路、靜態(tài)旁路開關、無觸點輸出開關等電路中得到廣泛的應用。

晶閘管的弱點:靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差,容易受干擾而誤導通。

晶閘管從外形上分類主要有:螺栓形、平板形和平底形。

2 普通晶閘管的結構和工作原理

晶閘管是PNPN四層三端器件,共有三個PN結。分析原理時,可以把它看作是由一個PNP管和一個NPN管所組成,其等效圖解如圖1(a)所示,圖1(b)為晶閘管的電路符號。

2.1 晶閘管的工作過程

晶閘管是四層三端器件,它有J1、J2、J3三個PN結,可以把它中間的NP分成兩部分,構成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復合管。

當晶閘管承受正向陽極電壓時,為使晶閘管導通,必須使承受反向電壓的PN結J2失去阻擋作用。每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此是兩個互相復合的晶體管電路,當有足夠的門極電流Ig流入時,就會形成強烈的正反饋,造成兩晶體管飽和導通。

設PNP管和NPN管的集電極電流分別為IC1和IC2,發(fā)射極電流相應為Ia和Ik,電流放大系數(shù)相應為α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,設流過J2結的反相漏電流為ICO,晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和:

若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為:Ik=Ia+Ig。

因此,可以得出晶閘管陽極電流為:

硅PNP管和硅NPN管相應的電流放大系數(shù)α1和α2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化。當晶閘管承受正向陽極電壓,而門極未接受電壓的情況下,式(1)中Ig=0,(α1+α2)很小,故晶閘管的陽極電流Ia≈ICO,晶閘管處于正向阻斷狀態(tài);當晶閘管在正向門極電壓下,從門極G流入電流Ig,由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射結,從而提高放大系數(shù)α2,產(chǎn)生足夠大的集電極電流IC2流過PNP管的發(fā)射結,并提高了PNP管的電流放大系數(shù)α1,產(chǎn)生更大的集電極電流IC1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結,這樣強烈的正反饋過程迅速進行。

當α1和α2隨發(fā)射極電流增加而使得(α1+α2)≈1時,式(1)中的分母1-(α1+α2)≈0,因此提高了晶閘管的陽極電流Ia。這時,流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定,晶閘管已處于正向導通狀態(tài)。晶閘管導通后,式(1)中1-(α1+α2)≈0,即使此時門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導通,門極已失去作用。在晶閘管導通后,如果不斷地減小電源電壓或增大回路電阻,使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時,由于α1和α2迅速下降,晶閘管恢復到阻斷狀態(tài)。

2.2 晶閘管的工作條件

由于晶閘管只有導通和關斷兩種工作狀態(tài),所以它具有開關特性,這種特性需要一定的條件才能轉化,此條件見表1。

(1)晶閘管承受反向陽極電壓時,無論門極承受何種電壓,晶閘管都處于關斷狀態(tài)。

(2)晶閘管承受正向陽極電壓時,僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。

(3)晶閘管在導通情況下,只要有一定的正向陽極電壓,無論門極電壓如何,晶閘管保持導通,即晶閘管導通后,門極失去作用。

(4)晶閘管在導通情況下,當主回路電壓(或電流)減小到接近于零時,晶閘管關斷。

3 晶閘管的伏安特性和主要參數(shù)

3.1 晶閘管的伏安特性

晶閘管陽極A與陰極K之間的電壓與晶閘管陽極電流之間關系稱為晶閘管伏安特性,如圖2所示。正向特性位于第一象限,反向特性位于第三象限。

(1) 反向特性

當門極G開路,陽極加上反向電壓時(見圖3),J2結正偏,但J1、J2結反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流,當電壓進一步提高到J1結的雪崩擊穿電壓后,同時J3結也擊穿,電流迅速增加,如圖2的特性曲線OR段開始彎曲,彎曲處的電壓URO稱為“反向轉折電壓”。此后,晶閘管會發(fā)生永久性反向擊穿。

(2) 正向特性

當門極G開路,陽極A加上正向電壓時(見圖4),J1、J3結正偏,但J2結反偏,這與普通PN結的反向特性相似,也只能流過很小電流,這叫正向阻斷狀態(tài),當電壓增加,如圖2的特性曲線OA段開始彎曲,彎曲處的電壓UBO稱為“正向轉折電壓”。

由于電壓升高到J2結的雪崩擊穿電壓后,J2結發(fā)生雪崩倍增效應,在結區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴,電子進入N1區(qū),空穴進入P2區(qū)。進入N1區(qū)的電子與由P1區(qū)通過J1結注入N1區(qū)的空穴復合。同樣,進入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通過J3結注入P2區(qū)的電子復合，雪崩擊穿后，進入N1區(qū)的電子與進入P2區(qū)的空穴各自不能全部復合掉。這樣，在N1區(qū)就有電子積累，在P2區(qū)就有空穴積累，結果使P2區(qū)的電位升高，N1區(qū)的電位下降，J2結變成正偏，只要電流稍有增加,電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負阻特性，見圖2中的虛線AB段。這時J1、J2、J3三個結均處于正偏，晶閘管便進入正向導電狀態(tài)——通態(tài),此時，它的特性與普通的PN結正向特性相似，如圖2的BC段。

(3) 觸發(fā)導通

在門極G上加入正向電壓時(如圖5所示),因J3正偏,P2區(qū)的空穴進入N2區(qū),N2區(qū)的電子進入P2區(qū),形成觸發(fā)電流IGT。在晶閘管的內(nèi)部正反饋作用(如圖2)的基礎上,加上IGT的作用,使晶閘管提前導通,導致圖2中的伏安特性OA段左移,IGT越大,特性左移越快。

3.2 晶閘管的主要參數(shù)

(1)斷態(tài)重復峰值電壓UDRM

門極開路,重復率為每秒50次,每次持續(xù)時間不大于10ms的斷態(tài)最大脈沖電壓,UDRM=90%UDSM,

UDSM為斷態(tài)不重復峰值電壓。UDSM應比UBO小,所留的裕量由生產(chǎn)廠家決定。

(2)反向重復峰值電壓URRM

其定義同UDRM相似,URRM=90%URSM,URSM為反向不重復峰值電壓。

(3)額定電壓

選UDRM和URRM中較小的值作為額定電壓,選用時額定電壓應為正常工作峰值電壓的2～3倍,應能承受經(jīng)常出現(xiàn)的過電壓。

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